הננו-מגנטים שיובילו לשיקום תאי עצב פגועים

לתאי עצב שניזוקו עקב מחלה ניוונית או פציעה יש יכולת מוגבלת בלבד, אם בכלל, להחלים באופן ספונטני. לכן, שיקום רשתות עצביות והחזרתן לתפקוד תקין הם אתגר משמעותי בתחום הנדסת הרקמות. פרופ' אורית שפי והדוקטורנטית רעות פלן מהפקולטה להנדסה באוניברסיטת בר-אילן פיתחו שיטה ייחודית, המבוססת על ננו-טכנולוגיה, לשליטה מרחוק בהכוונה ובארגון המרחבי של תאי עצב בתוך חומרים ביולוגיים תלת-ממדיים באמצעות מניפולציות מגנטיות.

אחת הגישות החדשניות ביותר ליצירת רשתות עצביות היא מניפולציות מגנטיות שמאפשרות הכוונה של תאי עצב (נוירונים) ושליטה מרחוק בארגון המרחבי שלהם ללא מגע. נוירון מורכב מגוף תא, וכן דנדריטים ואקסון – שלוחות ארוכות שמתפקדות כמעין קו תקשורת. באמצעות השיטה שפיתחו, שפי ופלן שולטות על תזוזת גופי התאים ומכוונות אותם למקומות הרצויים. בהמשך, הנוירונים מתחילים לגדל שלוחות ולתקשר עם תאים שכנים, מה שמוביל להיווצרותן של רשתות נוירונים המושפעות מהארגון המרחבי שנקבע מראש במערכת.

כדי ליצור את הרשתות העצביות, החוקרות החדירו ננו-חלקיקים מגנטיים לתאים מקליפת המוח של עכברים ובכך הפכו תאים אלה ליחידות מגנטיות עצמאיות. בהמשך הן חשפו את תאי העצב למספר שדות מגנטיים מותאמים מראש וכיוונו את תנועתם בתוך מצע קולגן תלת-ממדי ורב-שכבתי שמחקה את המאפיינים הטבעיים של רקמות הגוף. באמצעות מניפולציות מגנטיות אלו נוצרו רשתות עצביות תלת-ממדיות, פונקציונליות ורב-שכבתיות שממדלות אלמנטים המצויים במוחם של היונקים.

התאים ששימשו למחקר הם "תאי פרוג'ניטור" שנלקחו מקליפת המוח של עכברים צעירים מאוד. ידוע לגבי תאי פרוג'ניטור שהם עתידים להתפתח לנוירונים. לאחר שהננו-חלקיקים המגנטיים הוחדרו לתאים, הם הוכנסו לתמיסת קולגן לפני שהתמצקה לג'ל. בשלב שבו תמיסת הקולגן עדיין הייתה נוזלית, החוקרות הפעילו עליה שדות מגנטים והתאים נעו בתוכה תוך שהם נתקלים בהתנגדות מינימלית. לאחר התמצקות התמיסה, התאים נותרו "תקועים" ונשארו במקום על פי ההכוונה החיצונית שהופעלה עליהם. מאחר שתמיסת הקולגן עצמה מורכבת מחומרים המספקים לתאים סביבת חיים אידיאלית המדמה את מרכיבי הרקמות בגוף, תוך מספר ימים התאים התפתחו לנוירונים בוגרים, יצרו שלוחות וקשרים, פעלו חשמלית ושגשגו בג'ל הקולגן 21 ימים לפחות.

"שיטה זו סוללת את הדרך ליצירת ארכיטקטורות תלת-ממדיות של תאים בקנה מידה מותאם אישית," אומרת רעות פלן. "ניתן יהיה להשתמש בה ליישומים ביו-הנדסיים, טיפוליים ומחקריים כאחד, מחוץ לגוף וגם בתוכו. בגלל הריאליסטיות שלה, הרקמה התלת-ממדית שיצרנו יכולה לשמש כמודל למחקר של תרופות, של תקשורת בין רקמות, וכדרך לבנות רשתות מלאכותיות לממשקים בין רכיבים הנדסיים וביולוגיים. בנוסף, המודל פותח פתח מעניין להזרקת ג'ל כזה במצבו הנוזלי, שבתוכו יש תאים, החדרתו למערכת העצבים וארגון התאים למבנה הנכון בעזרת הכוחות המגנטיים. היתרון בשימוש בשיטה זו הוא ששדות מגנטיים יכולים להשפיע על תאים הממוקמים בעומק הגוף בצורה בלתי-פולשנית."

החדרת חלקיקים מגנטיים לתאים, ובפרט לתאי עצב, מעלה שאלות הקשורות לבטיחותם של יישומים רפואיים עתידיים. "נושא הבטיחות חשוב. אנחנו מקדישים לו הרבה מחשבה ומאמץ מחקרי," מציינת שפי. "בשלב הראשון, בדקנו את ההשפעה של חלקיקים שונים על בריאות התאים בתרבית. בנוסף, ציפינו את החלקיקים המגנטיים בחלבון מסוג הרצוי לתא. הציפוי יוצר חיץ בין האלמנט המגנטי ובין התא ומעודד את כניסת החלקיק לתוכו. חשוב לציין שהברזל, אבן הבניין של החלקיק, אינו חומר זר לגוף (יש ברזל באופן טבעי בגוף ואפילו יש יצורים שמייצרים ננו-חלקיקים בעצמם). בנוסף, אותו ג'ל עם חלקיקים מגנטיים כבר נבחן במעבדתנו בחיות ונמצא בטוח לשימוש."

שלב חשוב בהתקדמות הטכנולוגיה הוא אישור, שכבר ניתן מה-FDA, לשימוש בננו-חלקיקים מגנטיים לצרכי אבחון ודימות ובמקרים של פגיעות קשות. עובדות אלה והצעדים שנקטה קבוצת המחקר פותחים פתח לקידום הטכנולוגיה לשימושים קליניים בעתיד.